بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر، شبکههای حسگر بیسیم در کاربردهای زیادی از جمله کسب اتوماتیک داده، نظارت و ارزیابی شرایط محیطهای کنترل شده مورد استفاده قرار گرفتهاند. یکی از مهمترین کاربردهای شبکههای حسگر بیسیم به صورت ردیابی اهداف متحرک میباشد. ردیابی اهداف متحرک، مسألهای است که از دیرباز مطرح بوده و را ه حلهای مختلفی برای آن با استفاده از رادارها، ربات ها و در شبکه های خدمات ارتباطی شخصی ارائه شده است. در طراحی پروتکلهای ردیابی هدف، مقیاسپذیری - کارایی سیستم در برابر افزایش و یا کاهش تعداد نودها - ، سربار کم و توزیعی بودن الگوریتم - تبادل اطلاعات گرهها با همسابهها به جای ارتباط تک تک گرهها با گره مرکزی - از نیازمندیهای مهم در شبکههای حسگر با مقیاس وسیع به شمار میروند. کارایی الگوریتمها بستگی زیادی به دقت ردیابی و مدیریت مصرف انرژی دارد. به همین خاطر تلاش میگردد که در هر لحظه از زمان تعداد محدودی گره برای ردیابی اهداف انتخاب شده و بقیه گره های شبکه انرژی خود را ذخیره نمایند.
در این پروژه تلاش شده است که روش جدیدی برای مدلسازی ردیابی اهداف چندگانه در شبکههای حسگر بیسیم ارائه گردد. به همین منظور از الگوریتم تبرید فلزات به منظور تعیین بهینه ترین ترکیب ممکن از گره ها استفاده شده است. الگوریتم تبرید فلزات یک الگوریتم بهینهسازی فرا ابتکاری ساده و اثربخش در حل مسائل بهینهسازی است زیرا می تواند در مدت زمان بسیارکوتاه و صرف انرژی محاسباتی کم، پاسخ هایی با دقتی قابل قبول تولید نماید. کارآیی الگوریتم مذکور با پیاده سازی دو سناریوی متفاوت برای ردگیری دو هدف به طور همزمان مورد ارزیابی قرار گرفته است. در سناریو اول دو هدف با سرعت های 5m/s در یک ناحیهای به ابعاد 50 متر در 50 متر و در سناریو دو م دو هدف با سرعتهای 16m/s در ناحیه ای به ابعاد 100 متر در 100 متر حرکت میکنند. مقایسه نتایج بدست آمده با دیگر مقالات عملکرد قابل قبول روش مذکور را تأیید مینماید.
کلمات کلیدی: شبکه های حسگر بیسیم، ردیابی اهداف چندگانه ، الگوریتم تبرید فلزات ، بهینه سازی
.1 مقدمه
ردیابی اهداف متحرک، مسأله ای است که از دیرباز مطرح بوده و راه حل های مختلفی برای آن در گذشته با استفاده از رادارها، ربات ها و سایر تجهیزات مرتبط ارائه گردیده است. تحقیقات در زمینه ردیابی توزیعی با پروژه شبکه حسگر توزیع شده در آژانس پروژه تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده در اوایل دهه 1980 آغاز شد. تعریف اولیه این پروژه "ردیابی با استفاده از تعداد زیادی حسگر با اندازه کوچک و ارزان با قابلیت ارتباط بیسیم" بود . با توجه به تکنولوژی موجود آن زمان، چنین برنامه ای بلندپروازانه به نظر می رسید و عملا شبکه هایی با تعداد کمی گره که حس گرهای بزرگی بودند - مانند رادارها - مورد مطالعه قرار گرفتند. با پیشرفت تکنولوژی در سال های اخیر، برنامه اولیه تعریف شده در پروژه شبکه های حسگر توزیع شده محقق شد و امروزه تعداد زیادی گره حسگر با اندازه کوچک تحت عنوان شبکه حسگر بیسیم برای ردیابی توزیعی قابل استفاده است.
شبکه های حسگر بیسیم از تعداد زیادی گره با قابلیت های محدود پردازشی، برقراری ارتباط بیسیم و تشخیص یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی تشکیل شده اند. ویژگی مهم این گره ها، محدود بودن منابع انرژی است که باعث می شود این شبکه ها عمر مشخصی داشته باشند. علاوه بر این از نظر پردازشی و گستره ارتباط رادیویی، نسبت به شبکه های سنتی نیز محدودیت بیشتری دارند. با توجه به این موارد، الگوریتم های پیشنهادی برای این شبکه ها به صورت کارا بایستی طراحی شوند. از سویی دیگر داشتن این ویژگی ها حداقلی سبب شده است که گره های حسگر بیسیم کم هزینه بوده و در نتیجه امکان بکارگیری تعداد زیادی از این گره ها در یک شبکه وجود داشته باشد. شبکه های حسگر بیسیم - WSN* - در اصل حاوی تعداد زیادی گره های حسگر می باشند که ساختار شبکه را تشکیل می دهند.
این گره ها از لحاظ حافظه، سیستم پردازشگر و منابع انرژی دارای محدودیت می باشند. گره های توزیع شده در طبیعت می توانند در مسافت های کوتاه با هم ارتباط برقرار کرده و با محیط اطراف تطبیق پیدا کنند . [1] یک شبکه حسگر مجموعه ای از فعالیت های پردازش اطلاعات در سطح بالایی از جمله شناسایی رویداد، مانیتورینگ محیط، ردیابی هدف یا طبقه بندی را انجام می دهند.[2] امروزه شبکه های حسگر در زمینه های کاربردی متعددی مانند حوزه سلامت، فعالیت های نظامی، ارتباط تجهیزات خانگی و فعالیت های متعدد تجاری مورد استفاده واقع شده اند. پیشرفت سیستم ها و فن آوری میکروالکترومکانیکی به همراه توسعه موارد مرتبط با علوم دیجیتالی و ارتباطات بیسیم الکترونیکی، امکان طراحی گره های حسگر با اندازه ای کوچک، هزینه کم و انرژی کارآمدی را فراهم ساخته است.
از این رو می توان آن ها را در محیط های مختلف برای طیف گسترده ای از کاربردها به خدمت گرفت . در کاربردهای اقتصادی از قبیل جستجو و ردگیری اقلام لیست شده در انبارها، مواد اصلی و تجهیزات در سطح تولیدی ها و کارخانجات، تعداد و وضعیت سالمندان در خانه های سالمندان، تجهیزات پزشکی در بیمارستان ها و اهداف مسکونی، مکان یابی یک نیاز ضروری است. در موارد مرتبط با امنیت اجتماعی و کاربردهای نظامی نیز سیستم های ردیابی برای پیگیری موقعیت زندانیان در زندان ها و راهنمایی پلیس ها، آتش نشان ها و سربازان در اتمام مأموریتشان در داخل ساختمان ها بکار گرفت .[6-3] در همه کاربردهای WSN اشاره شده در بالا، ردیابی های انجام شده توسط گره های حسگر نقش اساسی را ایفا می کنند. مشکل ردیابی شعاع متحرک ابتدا در عملیات های نظامی طی جنگ جهانی دوم بوجود آمد، جایی که مکان یابی سربازان در موقعیت های حاد و سخت مسأله ای حیاتی بود.
حدود 20 سال بعد در طی جنگ ویتنام، وزارت دفاع آمریکا یک سری از ماهواره های دارای سیستم مکان یابی جهانی - GPS - را برای حمایت از عملیات های نظامی در نواحی مورد منازعه در مدار زمین قرار داد.در سال 1990 سیگنال های ماهواره ای برای بخش خصوصی نیز به لحاظ کاربردهای تجاری مثلا مدیریت ناوگان ها، نقشه های راهبر و کمک های اولیه و حیاتی، قابل استفاده و دسترسی اعلام شدند. علی رغم موفقیت این سیستم دقت GPS به طور مشهودی در نواحی شهری و مسقف و داخل مکان ها، به علت ناتوانی در دریافت سیگنال ها و بلوکه شدن یا اثرات چند بار ارسال شدن آنها کاهش یافت .[7] در سال 1996 کمیسیون ارتباطات فدرال - FCC - قوانینی را برای شرکت های ارائه دهنده شبکه های بیسیم تنظیم نمود. هدف از تعریف این قوانین، ایجاد قابلیت مکان یابی موارد متحرک در موقعیت های حیاتی با دقت خاصی 100 - متر در %67 موارد زمانی - بود.
چنین سرویس مهمی را E-911 در کشور آمریکا و E-112 در دیگر کشورها نامگذاری کردند. با ارائه باندهای ISM و ظهور متقابل شبکه های محلی بیسیم، FCC به E-911 در مورد افزایش سرعت پیشرفت صنعت بیسیم مرتبط با موارد جغرافیایی هشداری جدی دادند. در اواخر دهه 1990 همان زمان که فناوری های E-911 ظهور پیدا کردند، یک ابداع دیگر برای مکان یابی جغرافیایی درونی نیز به طور مستقل کار خود را ادامه داد .[8] این مورد با هدف بهبود عملکرد برخی کاربردهای آینده نگر در امر حسگرهای مکانی در زمینه های تجاری، امنیت اجتماعی و مجموعه های نظامی، کار خود را شروع کرد. در کاربردهای اقتصادی برای ساکنین مناطق و خانه های سالمندان، یک نیاز روزافزون به سیستم های حسگری- مکان یابی برای ردیابی افراد دارای نیازهای خاص دیده شد. بعنوان مثال در مورد افراد سالمند و کودکانی که از نظارت عینی ما دور بوده و نیاز به دانستن دقیق محلشان داریم.
از نظر امنیت اجتماعی و کاربردهای نظامی، سیستم های ردیابی حسگر درون محلی را برای ردیابی مجرمین در زندان ها و راهنمایی نیروهای پلیس، آتش نشان ها و سربازان در اتمام مأموریت خود در داخل ساختمان ها، بکار می بندند .[9] محدود کننده ترین عامل مؤثر روی ردیابی در WSN کانال های RF می باشند. مکان یابی مشارکتی مؤثر منوط به فناوری محدوده سنجی RF و رفتار آن در محیط توزیع شده می باشد. رایج ترین تکنیک های محدوده سنجی شامل زمان رسیدن - TOA* - ، قدرت سیگنال دریافتی - - RSS و زاویه ورود - - AOA می باشند. تکنیک های TOA به طور گسترده ای بکار رفته و به عنوان دقیق ترین روش شناخته می شود. در حالی که نوع RSS عملی ترین روش اما با دقت کمتر و جزئی نگری پایین می باشد. رفتار این تکنیک ها به صورت قابل ملاحظه ای در محیط های مستقر زمینی متفاوت است.
به عنوان مثال گسترش صدها نود در محیط خارجی چالش های زیادی را در مقایسه با تلاش برای نصب حسگرها در محیط داخلی یک ساختمان پیش رو قرار می دهد. شبکه های حسگر بیسیم در نواحی داخل ساختمانی، به ویژه در مناطق سرپوشیده محو شدن خدمات مسیرهای چندگانه و انتشار امواج نامطلوب را به دنبال خواهند داشت. این عوامل باعث خطاهای تخمین دامنه شده و بر عملکرد مکان یابی مستقیما تأثیر خواهند گذاشت. به منظور افزایش کاربرد و دقت الگوریتم های مکان یابی مشارکتی، رفتار کانال بیسیم بایستی کاملا مورد توجه قرار بگیرد. جدول 1 مزایا و معایب این دو تکنیک مورد بحث را لیست کرده است. امروزه شبکه های حسگر بیسیم در کاربردهای مختلف نظامی و شهری اهمیت رو به رشدی پیدا کرده اند. با پیشرفت های اخیر در تکنولوژی ارتباطات بیسیم، WSN جهش رو به جلوی عظیمی نسبت به شبکه های حسگر سنتی پیدا کرده است .[15]
یک WSN شامل تعداد زیادی از گره های حسگر است که بر روی یک ناحیه محافظت شده، نزدیک یا درون هدفهایی که قصد مشاهده وضعیت آنها را دارند، به صورت متراکم چیده شده اند. این گره های حسگر به صورت متناوب وضعیت هدف ها را حس کرده، داده های بدست آمده را پردازش کرده و سپس آنها را به یک ایستگاه پایه انتقال می دهند. تمامی گره های حسگر برای ایجاد یک شبکه ارتباطی با یکدیگر همکاری می کنند تا خدمات شبکه قابل اعتمادی را ارائه دهند. همکاری بین گره های حسگر می تواند مصالحه ای بین هزینه ارتباطات و انرژی محاسبات را ایجاد کند.
